Sciences · Physique
Masse volumique et densité
La masse volumique est la masse d’un corps par unité de volume : ρ = m / V, en kg/m³ ou g/cm³. La densité est le rapport, sans unité, entre cette masse volumique et celle de l’eau.
Mis à jour le 5 min de lecture
Un kilo de plumes pèse autant qu’un kilo de plomb, mais il occupe un volume immensément plus grand. La grandeur qui distingue les deux est la masse volumique : la quantité de matière tassée dans un volume donné. Elle explique pourquoi le bois flotte, pourquoi l’huile surnage sur l’eau et pourquoi une montgolfière s’élève.
Masse volumique et densité : la différence
| Masse volumique | Densité | |
|---|---|---|
| Définition | masse / volume | ρ du corps / ρ de référence |
| Unité | kg/m³, g/cm³, kg/L | aucune |
| Fer | 7 870 kg/m³ ou 7,87 g/cm³ | 7,87 |
| Eau | 1 000 kg/m³ ou 1 g/cm³ | 1 |
Comme l’eau a une masse volumique de 1 g/cm³ (à 4 °C), la densité d’un solide ou d’un liquide a la même valeur numérique que sa masse volumique exprimée en g/cm³ ou en kg/L. En anglais, density désigne la masse volumique, d’où des confusions fréquentes dans les traductions.
Les conversions
| Unité | Équivalence |
|---|---|
| 1 g/cm³ | 1 000 kg/m³ |
| 1 kg/L | 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³ |
| 1 g/L | 1 kg/m³ |
Comment la mesurer
- Pour un solide régulier : on mesure ses dimensions, on calcule le volume, on le pèse.
- Pour un solide irrégulier : on mesure le volume d’eau déplacé dans une éprouvette graduée. C’est la méthode qu'Archimède aurait utilisée, selon la légende, pour vérifier si la couronne du roi Hiéron était en or pur.
- Pour un liquide : on pèse un volume connu, ou on utilise un densimètre (aréomètre), flotteur gradué qui s’enfonce plus ou moins. Les viticulteurs l’utilisent pour suivre la fermentation, la teneur en sucre du moût diminuant au fil de celle-ci.
Tableau des masses volumiques
Valeurs approximatives, à température ambiante et pression atmosphérique.
| Matière | Masse volumique (kg/m³) | Densité |
|---|---|---|
| Hydrogène (gaz) | 0,09 | — |
| Hélium (gaz) | 0,18 | — |
| Air | 1,2 | — |
| Dioxyde de carbone (gaz) | 1,8 | — |
| Polystyrène expansé | 10 à 30 | 0,01 à 0,03 |
| Liège | 120 à 250 | 0,12 à 0,25 |
| Bois de balsa | 100 à 200 | 0,1 à 0,2 |
| Bois de chêne | 600 à 900 | 0,6 à 0,9 |
| Essence | 720 à 780 | 0,72 à 0,78 |
| Éthanol | 789 | 0,79 |
| Huile d’olive | 910 à 920 | 0,91 |
| Glace | 917 | 0,92 |
| Eau pure (4 °C) | 1 000 | 1 |
| Eau de mer | 1 025 environ | 1,025 |
| Corps humain (moyenne) | 985 à 1 060 environ | proche de 1 |
| Lait | 1 030 environ | 1,03 |
| Béton | 2 300 à 2 500 | 2,3 à 2,5 |
| Verre | 2 500 environ | 2,5 |
| Aluminium | 2 700 | 2,7 |
| Granite | 2 600 à 2 800 | 2,7 |
| Titane | 4 500 | 4,5 |
| Fer | 7 870 | 7,87 |
| Cuivre | 8 960 | 8,96 |
| Argent | 10 490 | 10,5 |
| Plomb | 11 340 | 11,3 |
| Mercure (liquide) | 13 530 | 13,5 |
| Or | 19 300 | 19,3 |
| Platine | 21 450 | 21,5 |
| Osmium | 22 590 | 22,6 |
L'osmium et l’iridium, de valeurs très proches, sont les éléments les plus denses connus. Voir aussi métaux et tableau périodique.
Flotter ou couler
Un objet plongé dans un fluide subit la poussée d’Archimède, égale au poids du fluide déplacé. Il en résulte une règle simple :
- si sa masse volumique moyenne est inférieure à celle du fluide, il flotte ;
- si elle est supérieure, il coule ;
- si elle est égale, il reste en suspension.
C’est la masse volumique moyenne qui compte : un navire en acier flotte parce que sa coque contient beaucoup d’air. Un sous-marin plonge ou remonte en remplissant ou en vidant ses ballasts. La glace flotte sur l’eau, ce qui est rare : la plupart des corps sont plus denses à l’état solide qu’à l’état liquide.
Les facteurs qui la modifient
- La température : en général, un corps se dilate en chauffant et sa masse volumique diminue. L’air chaud, moins dense, monte, ce qui fait voler les montgolfières et crée les courants de convection. L’eau fait exception entre 0 et 4 °C : elle est la plus dense à 4 °C, d’où le fond des lacs à cette température en hiver (voir eau).
- La pression : elle a peu d’effet sur les liquides et les solides, qui sont presque incompressibles, mais un effet important sur les gaz (voir pression).
- La salinité : l’eau de mer est plus dense que l’eau douce ; dans la mer Morte, dont la masse volumique dépasse 1 200 kg/m³, on flotte sans effort.
Ordres de grandeur extrêmes
| Objet | Masse volumique |
|---|---|
| Vide intergalactique | quelques atomes par mètre cube |
| Aérogel de silice | à partir de quelques kg/m³ |
| Densité moyenne de la Terre | 5 515 kg/m³ |
| Densité moyenne du Soleil | 1 410 kg/m³ |
| Saturne | 687 kg/m³, inférieure à celle de l’eau |
| Naine blanche | de l’ordre de 10⁹ kg/m³ (une tonne par cm³) |
| Étoile à neutrons | de l’ordre de 10¹⁷ kg/m³ |
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre masse volumique et densité ?
La masse volumique est une masse par volume, avec une unité (kg/m³, g/cm³). La densité est un rapport à l’eau (ou à l’air pour les gaz), sans unité. Pour un liquide ou un solide, la densité vaut la masse volumique en g/cm³.
Quelle est la masse volumique de l’eau ?
1 000 kg/m³, soit 1 kg par litre ou 1 g/cm³, à 4 °C. Elle est légèrement plus faible à température ambiante, environ 998 kg/m³ à 20 °C.
Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l’eau ?
Parce qu’en gelant, l’eau forme un réseau cristallin plus ouvert : la glace (917 kg/m³) est environ 9 % moins dense que l’eau liquide.
Quel est le métal le plus dense ?
L’osmium, avec environ 22,6 g/cm³, suivi de très près par l’iridium. L’or, à 19,3 g/cm³, est environ 1,7 fois plus dense que le plomb.